Thuyết minh hệ thống nạp thải đồ án thiết kế động cơ đốt trong

Đồ án môn học: Thiết kế động cơ đốt trong
LỜI NĨI ĐẦU
Ơ tơ ngày càng được sử dụng rộng rãi ở nước ta như một phương tiện đi lại cá nhân
cũng như vận chuyển hành khách, hàng hoá rất phổ biến. Sự gia tăng nhanh chóng số
lượng ơ tơ trong xã hội, đặc biệt là các loại ô tô đời mới đang kéo theo nhu cầu đào tạo
rất lớn về nguồn nhân lực phục vụ trong ngành công nghiệp ô tô nhất là trong lĩnh vực
thiết kế.
Sau khi học xong giáo trình “ động cơ đốt trong “ chúng em được tổ bộ môn giao
nhiệm vụ làm đồ án môn học. Vì bước đầu làm qn với cơng việc tính tốn, thiết kế ơ
tơ nên khơng tránh khỏi những bỡ ngỡ vướng mắc trong quá trình làm đồ án. Nhưng
được sự quan tâm, nhiệt tình, động viên, hướng dẫn của Thầy Trần Văn Nam cùng
với các thầy cô giáo bộ môn trong khoa nên chúng em đã cố gắng hết sức để hoàn
thành đồ án trong thời gian được giao
Qua đồ án này giúp sinh viên chúng em nắm được các lực tác dụng, công suất của
động cơ… và điều kiện đảm bảo bền của vài nhóm chi tiết… ơ tơ, máy kéo. Vì thế nó
rất thiết thực đối với sinh viên ngành công nghệ kĩ thuật ô tô
Tuy nhiên trong quá trình thực hiện dù đã cố gắng rất nhiều khơng tránh khỏi những
thiếu sót. Vì vậy chúng em rất mong nhận được sự quan tâm đóng góp ý kiến của các
thầy và các bạn để em có thể hồn thiện đồ án của mình tốt hơn và cũng qua đó rút ra
được những kinh nghiệm quý giá cho bản thân nhằm phục vụ tốt hơn nhằm phục vụ tốt
cho quá trình học tập và làm việc sau này.
Em xin chân thành cảm ơn !
Đà Nẵng, ngày 21 tháng 12 năm
2020
Sinh viên thực hiện
Dương Văn Hoà

SVTH: Dương Văn Hoà

Hướng dẫn: GS.TS Trần Văn Nam

trang 1


Đồ án môn học: Thiết kế động cơ đốt trong

PHẦN 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG NẠP THẢI ĐỘNG CƠ DM6-0320
Hệ thống nạp thải có nhiệm vụ đưa hỗn hợp khơng khí- nhiên liệu vào buồng cháy để
thực hiện q trình cháy của động cơ, đồng thời đưa sản phẩm cháy từ buồng cháy
thốt ra ngồi. Hệ thống nạp thải phải đảm bảo cung cấp đủ lượng hỗn hợp có thành
phần hồ khí thích hợp với mọi chế độ hoạt động của động cơ, thải sạch sản phẩm
cháy ra ngoài trong quá trình thải, sao cho hiệu suất động cơ là lớn nhất và giảm ô
nhiễm môi trường, giảm tiếng ồn.
1. Khảo sát hệ thống nạp – thải động cơ DM6
Nguyên lý :
Khơng khí ngồi trời được hút vào trong xylanh động cơ qua bộ lọc khơng khí tại đây
hầu hết bụi bẩn được giữ lại, sau đó đi qua các cảm biến lưu lượng và cảm biến nhiệt
độ khí nạp, thơng tin nhiệt độ và lưu lượng khí nạp được truyền về ECU động cơ, tiếp
đó dịng khí đến cổ họng gió qua bướm ga đến bộ góp nạp. Khí nạp từ bộ góp nạp sẽ
phân phối đến các xylanh động cơ trong kỳ nạp. Kết hợp thông tin từ cảm biến vị trí
bướm ga ECU sẽ điều khiển lượng phun nhiên liệu tối ưu..Sau khi hịa khí được đốt
cháy, khí thải được dẫn vào đường ống thải tới bộ góp thải đi vào bộ xúc tác ba chức
năng tại đây khí thải độc hại được khử thành các chất vơ hại rồi theo ống dẫn khí thải
qua bộ giảm âm thốt ra ngồi mơi trường. Một phần khí thải được trích dẫn quay trở
lại đường nạp qua van hồi lưu khí thải, để làm lỗng hỗn hợp nhiên liệu - khơng khí
nhằm hạn chế sự hình thành các chất gây ơi nhiễm trong q trình cháy.
1.2 Đường ống nạp.
Đường ống nạp gồm các cụm chi tiết sau : Bộ lọc khơng khí; Cổ họng gió ; bộ góp nạp
; tua bin tăng áp và cảm biến
1.2.1 Lọc khơng khí.
Lọc khơng khí nhằm mục đích lọc sạch khơng khí trước khi khơng khí đi vào động cơ.

Nó có vai trị rất quan trọng nhằm làm giảm sự mài mòn của động cơ. Trên động cơ
DM06 dùng kiểu lọc thấm, lõi lọc bằng giấy. Loại này có ưu điểm giá thành không
cao, dễ chế tạo. Tuy vậy nhược điểm là tuổi thọ thấp, chu kỳ thay thế ngắn.
1.2.2 Cổ họng gió.
Các bộ phận tạo thành gồm: bướm ga, môtơ điều khiển bướm ga, cảm biến vị trí bướm
ga và các bộ phận khác. Bướm ga dùng để thay đổi lượng không khí dùng trong q
trình hoạt động của động cơ, cảm biến vị trí bướm ga lắp trên trục của bướm ga nhằm
nhận biết độ mở bướm ga, môtơ bướm ga để mở và đóng bướm ga, và một lị xo hồi
để trả bướm ga về một vị trí cố định. Mơtơ bướm ga ứng dụng một mơtơ điện một
chiều có độ nhạy tốt và ít tiêu thụ năng lượng.

SVTH: Dương Văn Hoà

Hướng dẫn: GS.TS Trần Văn Nam

trang 2


Đồ án môn học: Thiết kế động cơ đốt trong
Nguyên lý làm việc:
ECU động cơ điều khiển độ lớn và hướng của dịng điện chạy đến mơtơ điều khiển
bướm ga, làm quay hay giữ mơtơ, và mở hoặc đóng bướm ga qua một cụm bánh răng
giảm tốc. Góc mở bướm ga thực tế được phát hiện bằng một cảm biến vị trí bướm ga,
và thơng số đó được phản hồi về ECU động cơ.
Khi dịng điện khơng chạy qua mơtơ, lị xo hồi sẽ mở bướm ga đến vị trí cố định
(khoảng 70). Tuy nhiên, trong chế độ không tải bướm ga có thể được đóng lại nhỏ hơn
so với vị trí cố định.
Khi ECU động cơ phát hiện thấy có hư hỏng, nó bật đèn báo hư hỏng trên đồng hồ táp
lô đồng thời cắt nguồn đến môtơ, nhưng do bướm ga được giữ ở góc mở khoảng 7 0, xe
vẫn có thể chạy đến nơi an tồn.

1.2.3 Bộ góp nạp

Hình 3-1 Bộ góp nạp
Bộ góp nạp được chế tạo bằng nhơm nhằm mục đích giảm trọng lượng, kết quả là cải
thiện hiệu quả nhiệt độ và thể tích lượng khí nạp. Các nhánh ống nạp đã được thiết kế
dài nhằm tối ưu hóa hình dáng đường nạp, dạng xoắn ốc của đường nạp tạo ra hiệu
ứng lưu động dịng khí nạp, làm tăng thêm lượng khí nạp ở mỗi chu trình, điều này
giúp cải thiện momen và cơng suất phát ra khi động cơ chạy ở tốc độ thấp và trung
bình. Đường kính ống góp nạp (d = 65 mm)
được thiết kế lớn, điều này làm giảm hệ số cản cho đường nạp.
1.2.4 Đặc điểm kết cấu và nguyên lý làm việc của các cảm biến trên đường nạp
Cảm biến lưu lượng khí nạp.

SVTH: Dương Văn Hồ

Hướng dẫn: GS.TS Trần Văn Nam

trang 3


Đồ án mơn học: Thiết kế động cơ đốt trong

Hình 3.2 Cảm biến lưu lượng khí nạp kiểu dây sấy
1 – Nhiệt điện trở; 2 – Dây sấy platin.
Nguyên lý hoạt động.
Dịng điện chạy vào dây sấy làm cho nó nóng lên. Khi khơng khí chạy qua, dây sấy
được làm nguội tương ứng với khối lượng khơng khí nạp, bằng cách điều chỉnh dòng
điện chạy vào dây sấy này để giữ cho nhiệt độ dây sấy khơng đổi, dịng điện đó sẽ tỉ lệ
thuận với lượng khơng khí nạp bằng cách phát hiện dịng điện đó ta xác định được
lượng khơng khí nạp. Trong trường hợp này, dịng điện có thể chuyển thành điện áp và

gửi đến ECU động cơ.
Mạch điện cảm biến đo lưu lượng khí.

Hình 3.3 Sơ đồ mạch điện điều khiển của cảm biến đo lưu lượng khơng khí
1 – Bộ khuyếch đại ; 2 – Ra (nhiệt điện trở) ; 3 – Ra (bộ sấy).
Cảm biến lưu lượng khí nạp có một dây sấy được ghép vào mạch cầu. Mạch cầu này
có đặc tính là các điện thế tại điểm A và B bằng nhau khi tích của điện trở theo đường
chéo bằng nhau (Ra + R3)*R1=Rh*R2.
Khi dây sấy (Rh) được làm mát bằng khơng khí nạp, điện trở tăng lên dẫn đến sự hình
thành độ chênh giữa các điện thế của các điểm A và B. Một bộ khuyếch đại xử lý phát

SVTH: Dương Văn Hoà

Hướng dẫn: GS.TS Trần Văn Nam

trang 4


Đồ án môn học: Thiết kế động cơ đốt trong
hiện chênh lệch này và làm tăng điện áp đặt vào mạch này (làm tăng dòng điện chạy
qua dây sấy). Khi thực hiện việc này, nhiệt độ của dây sấy lại tăng lên dẫn đến việc
tăng tương ứng trong điện trở cho đến khi điện thế của các điểm A và B trở nên bằng
nhau (các điện áp của các điểm A và B trở nên cao hơn). Bằng cách sử dụng các đặc
tính của loại mạch cầu này, cảm biến lưu lượng khí nạp có thể đo được khối lượng khí
nạp bằng cách phát hiện điện áp ở điểm B.
Trong hệ thống này nhiệt độ của dây sấy (Rh) được duy trì liên tục ở nhiệt độ khơng
đổi cao hơn nhiệt độ của khơng khí nạp, bằng cách sử dụng nhiệt điện trở (Ra). Do đó
có thể đo được khối lượng khí nạp một cách chính xác mặc dù nhiệt độ khí nạp thay
đổi, ECU động cơ khơng cần phải hiệu chỉnh thời gian phun nhiên liệu đối với nhiệt
độ khơng khí nạp.

Ngồi ra khi nhiệt độ khơng khí giảm ở các độ cao lớn, khả năng làm ngưội của khơng
khí giảm xuống so với cùng thể tích khí nạp ở mức nước biển. Do đó mức làm nguội
cho dây sấy này giảm xuống. Vì khối khí nạp được phát hiện cũng giảm xuống, nên
không cần phải hiệu chỉnh mức bù cho độ cao lớn.
Khi ECU phát hiện thấy cảm biến lưu lượng bị hỏng một mã nào đó, ECU sẽ chuyển
vào chế độ dự phòng. Khi ở chế độ dự phịng, thời điểm đánh lửa được tính tốn bằng
ECU, dựa vào tốc độ động cơ và vị trí của bướm ga. Chế độ dự phòng tiếp tục cho đến
khi hư hỏng được sửa chữa.
1.3 Đường ống thải
Đường ống thải gồm các cụm chi tiết chính sau: Bộ góp thải; bộ xúc tác 3 chức năng;
bộ giảm âm chính; cảm biến oxy.
1.3.1 Bộ góp thải.

Hình 3.6 Bộ góp thải
1 - Ống góp thải; 2 – đường ống thải
Đường ống thải có nhiệm vụ đưa khí thải ra khỏi buồng đốt động cơ. Bộ góp thải của
động cơ DM6 được chế tạo bằng thép không rỉ để giảm trọng lượng, ống thải và ống
góp thải được nối với nhau bằng khớp cầu, đường kính ống góp thải là 50 mm. Đoạn
SVTH: Dương Văn Hoà

Hướng dẫn: GS.TS Trần Văn Nam

trang 5


Đồ án môn học: Thiết kế động cơ đốt trong
cuối đường ống thải gắn cảm biến oxy thu nhận tín hiệu nồng độ oxy báo về ECU sử
lý, xác định tỷ lệ hỗn hợp khơng khí - nhiên liệu có giàu hay nghèo hơn tỷ lệ hỗn hợp
lý tưởng từ đó ECU sẽ điều chỉnh lượng nhiên liệu phun cho phù hợp.
1.3.2 Bộ xúc tác 3 chức năng kết hợp hệ thống điều khiển hồi tiếp nhiên liệu.

a, Bộ xúc tác 3 chức năng
Công dụng của bộ xúc tác:
Khi tỷ lệ khơng khí - nhiên liệu nghèo, giàu hay lý tưởng thì đều có một lượng khí
HC , CO và NOx sinh ra. Để giảm đến mức thấp nhất hàm lượng các khí này thải ra
mơi trường, trên đường ống dẫn khí thải người ta có lắp thêm bộ xúc tác ba chức năng
(TWC) là bộ phận oxy hóa CO và HC trong khí thải và đồng thời khử oxy của NOx để
biến chúng thành CO2, H2O và N2 không có hại cho mơi trường. Vùng làm việc của bộ
xúc tác là khi tỷ lệ khơng khí-nhiên liệu ở khoảng 14 ÷15 ( vạch đen)
Cấu tạo

Hình 3.7 Kết cấu bộ xúc tác ba chức năng
1 – Vỏ thép không rỉ; 2 – Vỏ ngoài ; 3,5 – Bộ xúc tác; 4 – Lưới thép; 6 – Thanh ghi;
7 – Lớp kim loại nền; 8 – Chất xúc tác.
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật
Thể tích (cm3)

2166

Mật độ phần tử lọc (ceels/cm2)

93

SVTH: Dương Văn Hoà

Hướng dẫn: GS.TS Trần Văn Nam

trang 6


Đồ án môn học: Thiết kế động cơ đốt trong

Độ dày vách ngăn (mm)

0,075

Bước phần tử (mm)

1,04

Bộ xúc tác 3 chức năng trên động cơ DM6 dùng chất xúc tác ( Platine+ Rhodium +
Palladium ) loại nguyên khối có dạng như tổ ong, với bề mặt được phủ các thành phần
xúc tác. Các chất này được đỡ bởi một lưới thép không rỉ và được bao bọc cũng bằng
vỏ thép không rỉ. Tất cả nằm trong vỏ thép.
Lớp than hoạt tính là nơi diễn ra các phản ứng xúc tác được chế tạo bằng những kim
loại quý mạ thành một lớp rất mỏng trên vật liệu nền. Vật liệu nền chủ yếu là một lớp
nhôm gamma, bề dày khoảng 20-50 micron được tráng trên bề mặt của thanh ghi.
Có 3 kim loại quý được dùng để tráng lên bề mặt vật liệu nền :Platine (Pt), Palladium
(Pd), Rhodium (Rh). Hai chất Pt và Pd dùng cho các phản ứng oxy hóa trong khi đó
Rh cần thiết cho phản ứng xúc tác khử NOx thành N 2. Ngồi ra cịn có một số kim loại
khác Ni, Fe, Si, Zr với hàm lượng nhỏ để tăng tính xúc tác tính ổn định và chống sự
lão hóa.
Nguyên lý làm việc
b, Hệ thống điều khiển tỷ lệ khơng khí – nhiên liệu
Hệ thống này hoạt động theo ngun lý: thơng tin về lượng oxy có trong khí thải được
xác định bằng cảm biến oxy đặt trên đường ống thải được truyền về ECU, ECU có
nhiệm vụ tiếp nhận xử lý thông tin và điều chỉnh lượng phun nhiên liệu để có được
thành phần hịa khí lý tưởng.
Cảm biến oxy
Cảm biến oxy có phần tử làm bằng zirconi ơxít ( ZnO2 ) đây là một loại gốm. Bên
trong và bên ngoài của phần tử này được bọc bằng lớp platin mỏng. Khơng khí chung
quanh được dẫn vào cảm biến này và phía ngồi của cảm biến lộ ra phía khí thải.Ở

nhiệt độ 4000 C (hoặc cao hơn) nếu oxy giữa mặt ngoài và mặt trong của phần tử ZrO2
có sự chênh lệch về nồng độ thì phần tử ZrO2 sẽ sinh ra một điện áp giá trị từ 0-1( V )
và truyền về ECU.
1.3.3 Bộ giảm âm chính

SVTH: Dương Văn Hồ

Hướng dẫn: GS.TS Trần Văn Nam

trang 7


Đồ án mơn học: Thiết kế động cơ đốt trong
Hình 3.8 Kết cấu bộ giảm âm chính
Trong bộ giảm âm chính được lắp trên đường ống thải của động cơ có van điều khiển
nằm ở vị trí cân bằng đóng nhánh rẽ tắt nhờ lò xo hồi vị.
Khi áp suất khí thải trong bộ giảm âm thấp van này đóng, dịng khí thải phải đi vịng
qua buồng xốy đảo chiều và các vách ngăn làm giảm các xung động và áp suất khí
thải thốt ra từ đó làm giảm tiếng ồn.
Khi áp suất khí thải lớn hơn lực hồi vị của lò xo van này sẽ mở tỷ lệ với áp suất khí
thải, tạo điều kiện cho khí thải thốt ra nhanh giảm phản lực trên đường ống thải
Như vậy nhờ có bộ giảm âm chính cho phép động cơ hoạt động êm dịu ở tốc độ thấp
và làm giảm phản lực tác dụng lên đường ống thải khi động cơ hoạt động ở tốc độ
trung bình và cao.
1.4 Kết cấu nắp máy và phương án bố trí đường nạp – thải trên động cơ DM6

Hình 3.9 Kết cấu nắp máy
1 – Đường nạp ; 2 – Đường thải
Động cơ DM6 là động cơ phun diezel điện tử, hịa khí được hòa trộn rất đều nhờ kim
phun 12 lỗ, do đó để đảm bảo khơng ảnh hưởng tới hệ số nạp, bộ góp nạp đã được đúc

bằng nhựa và đường nạp và đường thải của động cơ DM6 được bố trí về hai phía điều
này giúp cho dịng khí nạp được cách nhiệt rất tốt, không bị gia nhiệt từ nắp máy động
cơ và nhiệt độ dịng khí thải.
1.4 Các hệ thống phụ trợ cho quá trình nạp thải động cơ DM6
Động cơ ô tô tạo ra công suất bằng cách đốt cháy nhiên liệu diezel. Và sự cháy hoàn
toàn của nhiên liệu là khơng xảy ra, điều đó có nghĩa là các chất như CO, HC , NO x ,
…được thải ra bầu khí quyển. Các chất này làm ơ nhiễm khơng khí, vì vậy qui định
của pháp luật bắt buộc phải hạn chế khí thải ra từ động cơ ô tô.
- Các chất ô nhiễm trong sản vật cháy
SVTH: Dương Văn Hoà

Hướng dẫn: GS.TS Trần Văn Nam

trang 8


Đồ án môn học: Thiết kế động cơ đốt trong
Quá trình cháy lí tưởng của hỗn hợp hydrocarbure với khơng khí chỉ sinh ra CO 2, H2O
và N2. Tuy nhiên, do sự không đồng nhất của hỗn hợp một cách lí tưởng cũng như do
tính chất phức tạp của các hiện tượng lí hóa diễn ra trong q trình cháy nên trong khí
xả động cơ đốt trong ln có chứa một hàm lượng đáng kể những chất độc hại như
oxide nitơ (NO, NO2, N2O, gọi chung là NOx), monoxyde carbon (CO), các hydro
carbure chưa cháy (HC) và các hạt rắn, đặc biệt là bồ hóng.
- Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đối với sức khoẻ con người
+ CO : Monoxyde carbon là sản phẩm khí khơng màu, khơng mùi, khơng vị, sinh ra do
ơ xy hố khơng hồn tồn carbon trong nhiên liệu trong điều kiện thiếu oxy. CO ngăn
cản sự dịch chuyển của hồng cầu trong máu làm cho các bộ phận của cơ thể bị thiếu
oxy. Nạn nhân có thể bị tử vong tức thời khi nồng độ CO trong máu cao hoặc bị ảnh
hưởng xấu đến hoạt động của não bộ nếu tiếp xúc với CO trong thời gian dài .
+ NOx: NOx là họ các oxyde nitơ, trong đó NO chiếm đại bộ phận. NOx được hình

thành do N2 tác dụng với O2 ở điều kiện nhiệt độ cao (vượt q 1100°C). NO2 là chất
khó hịa tan, do đó nó có thể theo đường hơ hấp đi sâu vào phổi gây viêm và làm hủy
hoại các tế bào của cơ quan hơ hấp. Nạn nhân bị mất ngủ, ho, khó thở. Protoxyde nitơ
N2O là chất cơ sở tạo ra ozone ở hạ tầng khí quyển.
+ Hydocarbure: Hydrocarbure (HC) có mặt trong khí thải do q trình cháy khơng
hồn tồn khi hỗn hợp giàu, hoặc do hiện tượng cháy khơng bình thường. Chúng gây
tác hại đến sức khỏe con người chủ yếu là do các hydrocarbure thơm. Từ lâu người ta
đã xác định được vai trò của benzen trong căn bệnh ung thư máu khi nồng độ của nó
lớn hơn 40ppm hoặc gây rối loạn hệ thần kinh khi nồng độ lớn hơn 1g/m 3, đơi khi nó
là ngun nhân gây các bệnh về gan.
+ SO2: Oxyde lưu huỳnh là một chất háo nước, vì vậy nó rất dễ hịa tan vào nước mũi,
bị oxy hóa thành H2SO4 và muối amonium rồi đi theo đường hô hấp vào sâu trong
phổi. Mặt khác, SO2 làm giảm khả năng đề kháng của cơ thể và làm tăng cường độ tác
hại của các chất ô nhiễm khác đối với nạn nhân.
Vậy hệ thống phụ trợ lắp trên động cơ truyền thống nhằm mục đích tối ưu hố chu
trình làm việc của động cơ, làm cho tỷ lệ các chất ơ nhiễm trong khí thải là nhỏ nhất.
Đồng thời còn đảm bảo cho động cơ hoạt động tốt nhất trong mọi điều kiện làm việc .

SVTH: Dương Văn Hoà

Hướng dẫn: GS.TS Trần Văn Nam

trang 9


Đồ án môn học: Thiết kế động cơ đốt trong
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Đức Phú , Hồ Tấn Chuẩn , Trần Văn Tế , Nguyễn Tất Tiến - Kết cấu và
tính tốn động cơ đốt trong tập I, II, III,
[2] GS,TS, Nguyễn Tất Tiến – Nguyên lý động cơ đốt trong – Nhà xuất bản giáo dục ,

năm 2000 ,
[3] Trần Thanh Hải Tùng – Kết cấu tính tốn động cơ đốt trong – Trường đại học Bách
khoa Đà nẵng
[4] Nguyễn Văn Yến - Giáo trình chi tiết máy – Nhà xuất bản giao thơng vận tải,
Ngồi ra cịn có tham khảo một số tài liệu: Giáo trình giảng dạy của các thầy trong bộ
môn động cơ đốt trong - Khoa cơ khí giao thơng - ĐHBK – Đai Học Đà Nẵng và một
số tài liệu lấy từ trên mạng internet,

SVTH: Dương Văn Hoà

Hướng dẫn: GS.TS Trần Văn Nam

trang 10


Đồ án môn học: Thiết kế động cơ đốt trong

SVTH: Dương Văn Hoà

Hướng dẫn: GS.TS Trần Văn Nam

trang 11


Đồ án môn học: Thiết kế động cơ đốt trong

SVTH: Dương Văn Hoà

Hướng dẫn: GS.TS Trần Văn Nam

trang 12